DE3546783C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung eines Schleifenkörpers zur Herstellung eines Schleifwerk­ zeugs.

Schleif-Preßkörper (Kompakts) sind in der Technik wohl­ bekannt und werden in der Industrie zum Abschleifen verschiedenartiger Werkstücke verwendet. Sie bestehen im wesentlichen aus einer Masse von Schleifmittel-Teil­ chen, die in einer Menge von wenigstens 70 Vol.-%, vor­ zugsweise von 80 bis 90 Vol.-%, des Preßlings in ein hartes Konglomerat eingebunden vorliegen. Kompakts sind polykristalline Massen und vermögen große Einkristalle bei vielen Anwendungen zu ersetzen. Die Schleifmittel- Teilchen der Kompakts sind gleichbleibend ultraharte Schleifmittel wie Diamant und kubisches Bornitrid.

Schleif-Preßkörper enthalten im allgemeinen eine zweite Phase oder Bindematrix, die einen bei der Synthese der Teilchen nützlichen Katalysator (auch bekannt als Lö­ sungsmittel) enthält. Im Falle des kubischen Bornitrids sind Beispiele für geeignete Katalysatoren Aluminium oder eine Legierung des Aluminiums mit Nickel, Cobalt, Eisen, Mangan oder Chrom. Im Falle des Diamants sind Beispiele für geeignete Katalysatoren Metalle der Grup­ pe VIII des Periodensystems wie Cobalt, Nickel oder Eisen oder eine ein solches Metall enthaltende Legie­ rung.

Wie in der Fachwelt bekannt ist, werden Kompakts aus Diamant und kubischem Bornitrid unter Bedingungen der Temperatur und des Druckes hergestellt, bei denen die Schleifmittel-Teilchen kristallographisch stabil sind.

Schleif-Preßkörper können für den Einsatz direkt mit einem Werkzeug oder Schaft verbunden sein. Alternativ können sie mit einer Unterlage wie einer solchen aus Sintercarbid verbunden werden, bevor sie auf ein Werk­ zeug oder einen Schaft montiert werden. Solche unter­ legten Kompakts sind in der Technik als Verbund- Schleifkompakts bekannt.

Die US-PS 42 24 380 beschreibt ein Verfahren zum Her­ auslösen einer erheblichen Menge des Katalysators aus einem Diamant-Kompakt. Das auf diese Weise erzeugte Produkt umfaßt selbstgebundene Diamant-Teilchen, die zwischen etwa 70 Vol.-% und 95 Vol.-% des Produkts bilden, eine im wesentlichen gleichmäßig in das gesamte Produkt eingesickerte metallische Phase, die zwischen etwa 0,05 Vol.-% und 3 Vol.-% des Produkts bildet, und ein Netzwerk aus miteinander verbundenen leeren Poren, die durch das gesamte Produkt hindurch verteilt sind und durch die Teilchen und die metallische Phase be­ grenzt werden und zwischen etwa 5 Vol.-% und 30 Vol.-% des Produkts ausmachen. Das Herauslösen kann dadurch bewirkt werden, daß man einen Diamant-Kompakt eine ge­ wisse Zeit in eine heiße konzentrierte Lösung von Sal­ peter- und Fluorwasserstoffsäure bringt. Diese Behand­ lung mit heißer Säure löst die Katalysatorphase heraus und hinterläßt eine Diamant-Skelett-Struktur. Es wird angegeben, daß das nach dem Herauslösen gewonnene Pro­ dukt thermisch stabiler ist als das unbehandelte Produkt.

Die US-PS 41 24 401 beschreibt und beansprucht einen polykristallinen Diamant-Körper aus einer Masse aus Diamant-Kristallen, die vermittels eines Silicium-Atome enthaltenden bindenden Mediums haftend miteinander ver­ bunden sind, das Siliciumcarbid und ein Carbid und/oder Silicid einer Metall-Komponente, die mit Silicium ein Silicid bildet, umfaßt, wobei die Diamant-Kristalle eine Größe im Bereich von 1 µm bis etwa 1000 µm auf­ weisen, die Dichte der Kristalle von wenigstens etwa 70 Vol.-% bis zu wenigstens etwa 90 Vol.-% des Körpers reicht, das Silicium-Atome enthaltende bindende Medium in einer Menge im Bereich bis zu etwa 30 Vol.-% des Körpers anwesend ist, dieses bindende Medium wenigstens im wesentlichen gleichmäßig durch den Körper hindurch verteilt ist, der mit den Oberflächen der Diamant-Kri­ stalle in Berührung befindliche Teil wenigstens in der Hauptmenge Siliciumcarbid ist und der Diamant-Körper wenigstens im wesentliche porenfrei ist. Die Metall- Komponente für den Diamant-Körper ist aus einer breiten Gruppe von Metallen ausgewählt, die aus Cobalt, Chrom, Eisen, Hafnium, Mangan, Molybdän, Niob, Nickel, Palla­ dium, Platin, Rhenium, Rhodium, Ruthenium, Tantal, Thorium, Titan, Uran, Vanadium, Wolfram, Yttrium, Zir­ conium und deren Legierungen besteht. Der polykristal­ line Diamant-Körper wird unter relativ milden Bedingun­ gen des Heißpressens und solchermaßen, daß eine Dia­ mant-Durchwachsung nicht stattfindet, hergestellt.

Die US-PS 41 51 686 beschreibt einen polykristallinen Diamant-Körper ähnlich demjenigen der US-PS 41 24 401, mit den Ausnahmen, daß das bindende Medium aus Silici­ umcarbind und elementarem Silicium besteht und die Dichte der Diamant-Kristalle in dem Körper von wenig­ stens etwa 80 Vol.-% bis zu etwa 95 Vol.-% des Körpers reicht. Darüber hinaus werden die polykristallinen Schleifkörper dieses US-Patents unter Bedingungen höhe­ ren angewandten Druckes gefertigt, d. h. angewandten Drücken von wenigstens etwa 25 kbar. Es wird angegeben, daß die Schleifkörper an Trennwerkzeugen, Düsen oder anderen verschleißfesten Teilen wertvoll sind.

Die US-PS 32 39 321 beschreibt Diamant-Kompakts mit einer zweiten Phase aus Titan, Vanadium, Zirconium, Chrom oder Silicium oder einer Legierung irgendeines dieser Metalle mit Nickel, Mangan oder Eisen. Diese Kompakts werden in der Weise hergestellt, daß man die Diamant-Teilchen mit dem Metall in Pulver-Form mischt und dann die Mischungen Bedingungen erhöhter Temperatur und erhöhten Drucks aussetzt. Ein Beispiel verwendet Silicium als Metall in einer Menge von 31,5 Vo1.-%. Das Patent legt nahe, daß der Kompakt in geeigneter Weise zum Schneiden und Abschleifen harter Materialien ge­ formt und montiert werden kann.

Die gesamte Beschreibung der ZA-PS 84/0053 beschreibt einen Schleifkörper mit hoher Festigkeit und der Fähig­ keit, hohe Temperaturen auszuhalten, die ihn als Werk­ zeugeinsatz für Richtwerkzeuge an oberflächenbesetzte Bohrkronen geeignet machen. Der Körper umfaßt eine Masse aus Diamant-Teilchen, die in einer Menge von 80 bis 90 Vol.-% des Körpers vorhanden sind, und eine zweite Phase, die in einer Menge von 10 bis 20 Vol.-% des Körpers vorhanden ist, wobei die Masse aus Diamant- Teilchen im wesentlichen Bindungen Diamant-zu-Diamant enthält, wodurch eine zusammenhängende Skelett-Masse gebildet wird, und die zweite Phase Nickel und Silicium enthält, wobei das Nickel in Form von Nickel und/oder Nickelsilicid vorliegt und das Silicium in Form von Silicium, Siliciumcarbid und/oder Nickelsilicid vor­ liegt. Die Schleifkörper werden unter Bedingungen er­ höhter Temperatur und erhöhten Drucks hergestellt, die für die Fertigung von Diamant-Kompakts geeignet sind.

Aus der DE 23 45 759 B2 ist bekannt, bei der Herstel­ lung von Schleifwerkzeugen diese Temperaturen bis zu 900°C auszusetzen. Bei den hier genannten Schleifkörpern werden jedoch keine Diamant-zu-Diamant-Bindungen erhalten. Die thermische Stabilität wird durch den Auf­ bau einer rein metallischen zweiten Phase bestimmt. Der Spalte 2, Zeile 25 ff der DE-AS 23 45 759 B2 ist zu ent­ nehmen, daß relativ große Reinkristalle, u. a. reine Diamanten, zur Herstellung der Schleifwerkzeuge ein­ gesetzt werden. Diese haben naturgemäß keine ausreichen­ de thermische Stabilität.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Schleifwerkzeug zu schaffen, welches durch seine hohe Festigkeit eine erhöhte Schleifleistung erbringt bei gleichzeitiger hoher thermischer Stabilität.

Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung eines Schleifeinsatzes gemäß Anspruch 1. Eine bevorzugte Aus­ führungsform ist dem Anspruch 2 zu entnehmen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch die in den Patentansprüchen angegebene Verwendung bzw. das genannte Werkzeug.

Das Besondere dieses Schleifwerkzeugs besteht darin, daß sein Arbeitsteil wenigstens einen Schleifkörper mit den oben angegebenen charakteristischen Eigenschaf­ ten enthält. Es wurde gefunden, daß diese Schleifkörper nicht nur erhebliche Festigkeit besitzen, die wenig­ stens zum Teil auf den wesentlichen Bindungen Diamant- zu-Diamant beruht, sondern daß sie auch befähigt sind, eine Temperatur von 1200°C unter einem Vakuum von 13 - mPa (10^-4 Torr) oder besser oder in inerter oder redu­ zierender Atmosphäre auszuhalten vermögen, ohne daß nennenswerte Graphitisierung des Diamants eintritt. Die Festigkeit der Schleifkörper und ihre Fähigkeit, hohen Tempe­ raturen standzuhalten, macht sie als Werkzeuge dort ideal, wo während des Einsatzes hohe Temperaturen er­ zeugt werden.

Die zweite, aus Silicium bestehende Phase in dem Schleifkörper ist gleichmäßig durch die zusammenhän­ gende Diamant-Skelett-Masse hindurch verteilt. Wie oben angegeben ist, besteht die zweite Phase im wesentlichen aus Silicium, das in Form von Silicium und/oder Sili­ ciumcarbid vorliegt. Dies bedeutet, daß etwaige andere Komponenten in der zweiten Phase nur in Spurenmengen vorhanden sind.

Die erfindungsgemäß verwendeten Schleifekörper können mannigfaltige Formen annehmen, je nach dem vorgesehenen Einsatzzweck. Die Formen werden im allgemeinen aus ei­ nem großen Schleifkörper, der in einer Weise herge­ stellt wird, wie sie im folgenden ausführlich beschrie­ ben wird, geschnitten, beispielsweise durch Schneiden mittels Laser. Die Schleifkörper können auch unregelmäßige Form aufweisen und etwa durch Zerkleinern des großen Schleifkörpers erhalten werden.

Die Schleifkörper können vor dem Einsetzen in den Arbeitsteil des Werkzeugs mit einem dünnen Überzug aus einem Metall oder einer Legierung versehen werden.

Die in den Schleifwerkzeugen gemäß der vorliegenden Erfindung verwendeten Schleifkörper werden bei Temperaturen und Drücken innerhalb des stabilen Bereichs des Dia­ mants im Phasendiagramm des Kohlenstoffs hergestellt. Insbesondere werden die Schleifkörper in der Weise erzeugt, daß man eine Masse Diamant-Teilchen in ein Reaktionsgefäß gibt, eine Masse Silicium in Kontakt mit der Masse der Dia­ mant-Teilchen bringt, das beschickte Reaktionsgefäß in die Reaktionszone einer Hochtemperatur/Hochdruckappara­ tur bringt, den Inhalt des Reaktionsgefäßes den Bedin­ gungen erhöhter Temperatur und erhöhten Druckes in dem stabilen Bereich des Diamants im Phasendiagramm des Kohlenstoffs während einer Zeitspanne aussetzt, die zur Herstellung des Körpers ausreicht, und dann den Körper aus der Reaktionszone herausführt. Die bevorzugten Be­ dingungen höherer Temperatur und höheren Drucks sind Temperaturen im Bereich von 1400°C bis 1600°C und Drücke im Bereich von 50 bis 70 kbar. Diese Bedingungen höherer Temperatur und höheren Drucks werden eine für die Erzeugung des Körpers ausreichende Zeitspanne zur Einwirkung gebracht. Typischerweise hält man die Bedin­ gungen höherer Temperatur und höheren Drucks während einer Zeitspanne von 5 bis 20 min aufrecht. Das Sili­ cium kann in Form von Pulver oder in Form einer Platte oder Folie bereitgestellt werden. Zur Erzielung der vorteilhaften Diamant-zu-Diamant-Bindung hat es sich als besonders günstig erwiesen und wird demgemäß bevor­ zugt, das Silicium während der Fertigung des Körpers in die Diamant-Masse einsickern zu lassen. Die Diamant-zu- Diamant-Bindung ist in erster Linie ein physikalisches Ineinandergreifen Diamant-zu-Diamant und eine Bindung, die durch plastische Deformation der Diamant-Teilchen während der Herstellung des Elements erzeugt wird.

Das Reaktionsgefäß, das mit den Diamanten und dem Sili­ cium beschickt wird, kann aus Molybdän, Tantal, Titan oder einem gleicherweise hochschmelzenden carbidbilden­ den Metall hergestellt sein. Es wird angenommen, daß der Einschluß der Masse aus Diamanten und Silicium innerhalb eines solchen Reaktionsgefäßes während der Herstellung zu der ausgezeichneten Diamant-zu-Diamant- Bindung, die tatsächlich erzielt wird, beiträgt.

Die bei der Herstellung der Schleifkörper eingesetz­ ten Diamant-Teilchen können von groben bis zu feinen Teilchen variieren. Im allgemeinen pflegen die Teilchen eine Größe von weniger als 100 µm aufzuweisen und typi­ scherweise eine Größe im Bereich von 10 bis 75 µm zu besitzen. Die bevorzugte Größe liegt im Bereich von 15 bis 30 µm.

Die Hochtemperatur/Hochdruckapparatur ist gemäß dem Stand der Technik wohlbekannt; hierzu vgl. beispiels­ weise die US-PS 29 41 248.

Die vorliegende Erfindung wird durch das folgende Bei­ spiel näher erläutert.

Beispiel

Eine Masse aus Diamant-Teilchen (12,5 g) wurde in einen Becher aus Tantal gefüllt. Eine Schicht aus Silicium- Pulver (1,86 g) wurde auf die Oberseite der Masse der Diamanten gegeben. Auf die offene Oberseite des Tantal- Bechers wurde ein Deckel aus Tantal gelegt.

Der gefüllte Becher wurde in die Reaktionszone einer konventionellen Hochtemperatur/Hochdruckapparatur ge­ setzt und einer Temperatur von 1500°C und einem Druck von 55 kbar ausgesetzt und diese Bedingungen wurden während einer Zeitspanne von 10 min aufrechterhalten. Aus der Reaktionszone gewonnen wurde ein scheibenförmiger Schleifkörper, der eine Masse aus Diamant-Teilchen, in der eine wesentliche Menge Bindungen Diamant-zu-Diam­ ant vorlag, die eine zusammenhängende Skelett-Masse bildete, und eine zweite Phase umfaßte, die Silicium­ carbid und eine kleine Menge Silicium enthielt und gleichmäßig in der gesamten Diamant-Masse verteilt war.

Ein derartiger scheibenförmiger Schleifkörper weist die positiven Schleifeigenschaften auf, wie sie oben angegeben sind.

Claims (2)

1. Verwendung eines Schleifkörpers, der eine Masse aus Diamantteilchen, die in einer Menge von 80 bis 90 Vol.-% des Einsatzes vorliegen, und eine zweite Phase, die in einer Menge von 10 bis 20 Vol.-% des Einsatzes vor­ liegt, umfaßt, wobei die Masse aus Diamantteilchen im wesentlichen Bindungen Diamant-zu-Diamant enthält, wo­ durch eine zusammenhängende Skelett-Masse gebildet wird, und die zweite Phase im wesentlichen aus Silicum besteht, das in Form von Silicium und/oder Silicium­ carbid vorliegt, zur Herstellung eines Schleifwerk­ zeugs, wobei der Körper während der Fertigung des Werkzeugs Temperaturen oberhalb von 850°C ausgesetzt wird.

2. Verwendung eines Schleifkörpers nach Anspruch 1 zum Abrichten oder Drehen mit einer entsprechenden Bearbeitungskante.